Java JVM 深度解析-CSDN博客

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📕我是廖志伟，一名Java开发工程师、《Java项目实战——深入理解大型互联网企业通用技术》（基础篇）、（进阶篇）、（架构篇）清华大学出版社签约作家、Java领域优质创作者、CSDN博客专家、阿里云专家博主、51CTO专家博主、产品软文专业写手、技术文章评审老师、技术类问卷调查设计师、幕后大佬社区创始人、开源项目贡献者。

📘拥有多年一线研发和团队管理经验，研究过主流框架的底层源码(Spring、SpringBoot、SpringMVC、SpringCloud、Mybatis、Dubbo、Zookeeper)，消息中间件底层架构原理(RabbitMQ、RocketMQ、Kafka)、Redis缓存、MySQL关系型数据库、 ElasticSearch全文搜索、MongoDB非关系型数据库、Apache ShardingSphere分库分表读写分离、设计模式、领域驱动DDD、Kubernetes容器编排等。不定期分享高并发、高可用、高性能、微服务、分布式、海量数据、性能调优、云原生、项目管理、产品思维、技术选型、架构设计、求职面试、副业思维、个人成长等内容。

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在深入探讨Java虚拟机（JVM）的知识体系之前，我们先要理解JVM作为Java程序运行时环境的核心作用。JVM负责将Java字节码转换为机器码，从而在底层操作系统上执行。这一转换过程涉及到一系列复杂的技术实现，以下是对JVM知识体系的详细解析。

类加载机制

类加载机制是JVM的核心功能之一，它负责在运行时将类定义（.class文件）加载到JVM中。这个过程分为以下几个阶段：

加载（Loading）：这一阶段涉及到类加载器的查找和加载过程。类加载器负责将类文件从文件系统或网络中读取，并将其字节码加载到JVM中。在这个过程中，JVM会创建一个Class对象来表示这个类的信息。
连接（Linking）：连接阶段分为验证、准备和解析三个子阶段。
- 验证：JVM对类文件的字节码进行验证，确保其结构符合JVM规范，并且不会破坏Java虚拟机的安全。
- 准备：为类变量分配内存，并将其初始化为默认值。
- 解析：将类或接口的符号引用转换为直接引用。
初始化（Initialization）：初始化阶段是类加载的最后一步，它负责执行类构造器（clinit()），初始化类变量。

类加载过程

类加载过程是一个动态的过程，它涉及到以下几个关键步骤：

加载：类加载器通过类加载器机制将类文件加载到JVM中，这一过程通常由Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和App ClassLoader等负责。
连接：连接过程包括验证、准备和解析，确保类文件的有效性和正确性。
初始化：执行类构造器，初始化类变量。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的一种机制，它要求子类加载器先请求父类加载器进行类的加载，只有当父类加载器无法完成加载时，子类加载器才会尝试加载。这种模型有助于避免类的重复加载，同时也保证了类型安全。

自定义类加载器

在Java中，可以通过继承ClassLoader类来创建自定义类加载器，实现特定的类加载逻辑。自定义类加载器可以用于实现例如模块化、热部署等高级功能。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它允许将Java应用程序分解成多个模块，从而提高应用程序的可维护性和性能。模块化系统能够明确模块之间的依赖关系，减少不必要的类加载和依赖检查，从而提高启动速度和运行效率。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个运行时数据区：

堆（Heap）：堆是JVM中最大的运行时数据区，用于存储所有实例和数组的内存区域。垃圾回收主要在堆上进行。
栈（Stack）：栈是线程私有的运行时数据区，用于存储线程的局部变量和方法的调用栈。栈的内存大小通常在创建线程时确定，并且不可扩展。
方法区（Method Area）：方法区存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区是所有线程共享的内存区域。
PC寄存器：PC寄存器是每个线程的寄存器，用于存储当前线程所执行的指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

堆溢出：当应用程序创建的对象数量超过JVM允许的最大堆大小时，就会发生堆溢出。
栈溢出：当方法的调用深度超过JVM允许的最大栈大小时，就会发生栈溢出。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制。它通过识别和回收不再使用的对象来释放内存。垃圾回收器的工作原理包括标记-清除、复制、整理等算法。

GC Roots可达性分析

GC Roots是一种用于确定对象是否存活的方法。如果一个对象从GC Roots开始，沿着引用链可以到达，那么这个对象是存活的。GC Roots通常包括方法区中的静态变量引用、栈中的局部变量引用、本地方法栈中的引用等。

分代收集理论

分代收集理论将对象分为几代，根据对象在内存中存活的时间进行不同方式的回收。通常，新创建的对象被分配到新生代，经过一定次数的垃圾回收后，存活下来的对象会被晋升到老年代。

引用类型

Java中的引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。这些引用类型决定了对象在内存中的生命周期。

垃圾回收算法

垃圾回收算法包括：

标记-清除（Mark-Sweep）：标记所有存活的对象，然后清除未被标记的对象。
复制（Copying）：将内存分为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域，当使用完毕后，将存活的对象复制到另一个区域。
整理（Mark-Compact）：标记-清除算法的改进，将存活的对象移动到内存的一端，然后压缩。

并发收集器

并发收集器包括：

CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以降低停顿时间为目标的并发收集器。
G1（Garbage-First）：一种以停顿时间可预测为目标的并发收集器。
ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的垃圾回收器。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种停顿时间控制策略，如最大停顿时间目标（Max GCTime）和最小停顿时间目标（Min GCTime）。

性能调优

性能调优包括：

JVM参数配置：通过配置JVM参数（如-Xms、-Xmx等）来优化性能。
内存泄漏诊断：通过工具（如MAT、VisualVM等）诊断内存泄漏。
JIT编译优化：JIT编译器对字节码进行即时编译，优化执行性能。

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动配置Spring应用程序，无需编写大量的配置代码。自动配置的实现基于以下几个原则：

条件化配置：根据类路径下存在的类、Bean和配置文件等条件，自动启用或禁用某些配置。
类型推断：根据类路径下的类和配置文件，自动推断所需的Bean和配置。
默认值：为未明确配置的Bean和配置提供默认值。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是Spring Boot自动配置的核心。它通过扫描类路径下的jar包，根据类路径下的类和配置文件，自动配置Spring应用程序。具体来说，@EnableAutoConfiguration会查找所有带有@Configuration注解的类，并将它们注册为Bean，然后通过这些Bean来生成Spring应用程序的配置。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许在满足特定条件时才进行配置。Spring Boot提供了多种条件化配置注解，例如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean、@ConditionalOnProperty等。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者快速集成第三方库。自定义Starter通常包含一个或多个依赖项，并且通过Maven的依赖管理机制来管理这些依赖项。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot提供的依赖管理机制，它简化了依赖的添加和管理。起步依赖通常包含了一组相关的库，这些库可以满足应用程序的特定需求。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于定义项目依赖的版本。BOM文件确保了项目中所有依赖项的版本一致性，避免了版本冲突问题。

版本冲突解决

版本冲突是依赖管理中常见的问题，Spring Boot提供了多种解决方法，例如使用依赖的传递性、使用依赖的排除机制等。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，例如：

声明式集成：通过使用Spring Boot的自动配置功能，自动配置第三方库。
配置文件集成：通过配置文件（如application.properties或application.yml）来配置第三方库。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了健康检查、度量指标收集等功能。Actuator可以帮助开发者监控和管理Spring Boot应用程序。

健康检查端点

健康检查端点用于检查应用程序的健康状态。Spring Boot提供了多种健康检查端点，例如/health、/health/prometheus等。

度量指标收集

度量指标收集用于收集应用程序的性能数据。Spring Boot Actuator可以与各种度量指标收集工具集成，例如Micrometer、Prometheus等。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者自定义健康检查端点或度量指标收集端点。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过配置文件（如application-{profile}.yml）实现。配置文件可以包含应用程序的配置信息，例如数据库连接、服务端口号等。

配置加载优先级

配置加载优先级决定了配置文件的加载顺序。Spring Boot默认会按照以下顺序加载配置文件：

application.yml
application.properties
application-{profile}.yml
application-{profile}.properties

动态配置刷新

动态配置刷新允许在运行时刷新配置。通过Spring Cloud Config Server，可以实现对应用程序配置的动态更新。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案，例如：

Micrometer：用于收集和导出度量指标。
Logback/SLF4J：用于日志记录。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，例如：

Zipkin：用于追踪分布式系统中的请求链路。
Jaeger：用于分布式系统的分布式追踪。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，例如：

自定义AutoConfigurationBean：允许开发者自定义自动配置的Bean。
生命周期扩展点：允许开发者扩展Spring Boot的生命周期。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，例如：

Spring WebFlux：用于构建异步、非阻塞的Web应用程序。

总结

JVM和Spring Boot是Java生态系统中的两个重要组成部分。JVM负责Java程序的运行时环境，而Spring Boot简化了Spring应用程序的开发和配置过程。通过深入理解JVM和Spring Boot的知识体系，我们可以更好地开发高性能、可维护的Java应用程序。

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